通信原理课程教案 实验二 锁相环电路实验文档格式.docx

1、第3引脚（PDI2）：相位比较器输入信号，通常PD来自VCO的参考信号。第4引脚（VCOO）：压控振荡器的输出信号。第5引脚（INH）： 控制信号输入，若INH为低电平，则允许VCO工作源极跟随器输 出：若INH为高电平，则相反，电路将处于功耗状态。第6引脚（CI）： 与第7引脚之间接一电容，以控制VCO的振荡频率。第7引脚（CI）： 与第6引脚之间接一电容，以控制VCO的振荡频率。第8引脚（GND）：接地。第9引脚（VCOI）：压控振荡器的输入信号。第10引脚（SFO）：源极跟随器输出。第11引脚（R1）： 外接电阻至地，分别控制VCO最高和最低振荡频率。第12引脚（R2）：第13引脚（PD

2、O2）：相位比较器输出的三态相位差信号，它采用PDI1、P上升沿控制逻辑。第14引脚（PDI1）：相位比较器输入信号，PDI1输入允许将0.1V左右的小信号或方波信号在内部放大并再经过整形电路后，输出至相位比较器。第15引脚（VI ）：内部独立的齐纳稳压二极管负极，其稳压值V58V，若与TTL电路匹配时，可以用来作为辅助电源用。 第16引脚（VDD ）：正电源，通常选+5V，或+10V，+15V。2.VCO压控振荡器所谓压控振荡器就是-振荡频率受输入电压控制的振荡器。 4046锁相环的VCO是一个线性度很高的多谐振荡器，它能产生很好的对称方波输出。电源电压可工作在3V18V之间。本电路取+5V

3、电源。它利用由门电路组成的RS触图9-3 4046锁相环逻辑框图发器控制一对开关管轮番地向定时电容C1 正向充电和反向充电，从而形成自激振荡，振荡频率与充电电流成正比。与C1的容量成反比，振荡频率不仅与定时电容C1、外加控制电压Ui有关而且还与电源电压有关，与外接电阻R1、R2的比值也有关。 3.锁相式数字频率合成器工作原理 从图9-2可见，U402（MC14522）、U403（MC14522）、U404（MC14522）为三级可预置分频器，全部采用可预置BCD码同步1/N计数器MC14522，可由4位小型拨动开关选择。U402、U403、U404分别对应着总频比N的百位、十位、个位分频器，U

4、402、U403、U404的输入端可分别由SW401、SW402、SW403置入分频比的百位数、十位数、个位数，以8421 BCD码形式输入， 使用时按所需分频比N预置好SW401、SW402、SW403的输入数据，f0 = NfR，3位程序分频器MC14522的数据输入端P0P3分别接有510K的下拉电阻，当SW401、SW402、SW403没有对该系统单元数据输入时，即开路状态时，此时下拉电阻把数据输入端置为“0”电平；当SW401、SW402、SW403工作时，则有相应的“1”电平输入到数据输入端，使之置于“1”电平状态，以便程序分频器进行处理。 在图9-2电路图中，当程序分频器的分频比

5、N置成1，也就是把SW401、SW402向下拨（0000 0000）均断开，SW403置成“0001”状态。这时，该电路就是一个基本锁相环电路。就是当N=1时，分频器相当于一根短路线，直接将VCO压控振荡器输出接到了相位比较器的输入端，这时理论上F0=FV。 当三级程序分频器的N值可由外部输入进行编程控制时，该电路就是一个锁相式数字频率合成器电路。输入频率转换开关K401进行选择，当K401的2与3相连接，则把来自实验一（AMI/HDB）编译码实验）的时钟信号发生器1KHz方波信号输入到该14引脚；若K401的2与1相连接，则必须用外接信号源所产生的1KHz方波信号，通过输入信号插座S103引

6、入。当锁相环锁定后，可得到：fRfV fv:VCO反馈频率 ，其中：fVf0/N , 代入得：fR=f0/N 移项得： f0=NfR 由此可知，当fR固定不变时，改变三级程序分频器的分频比N，VCO的振荡输出频率（也就是频率合成器的输出频率）f0也得到相应的改变。这样，只要输入一个固定信号频率fR，即可得到一系列所需要的频率，其频率间隔等于fR，这里为1KHz。选择不同的fR，可以获得不同fR的频率间隔。在用实验一信号发生器产生的时钟信号频率时，其准确频率1.024KHz，而不是1KHz。因而经过三级程序分频器与锁相实验后，VCO压控振荡器的输出频率也应当是1.024KHz的N位数。从上可知:

7、电路设置成基本锁相环电路的条件是：SW1 SW2 SW3 状态为:0000 0000 0001 Sw4状态为:00010000 这时分频比N=1三、实验内容（一）基本锁相环实验 1.观察锁相环路的同步过程； 2.观察锁相环路的跟踪过程； 3.观察锁相环路的捕捉过程； 4.测试环路的同步带与捕捉带，并计算它们的带宽。（二）锁相式数字频率合成器实验 1.在程序分频器的分频比N1、10、100三种情况下： （1）测量输入参考信号的波形； （2）测量频率合成器输出信号的波形。 2.测量并观察最小分频比与最大分频比。四、实验步骤及使用仪器使用仪器： 信号发生器 2台（1台产生信号、1台作频率计用）、示波

8、台、试验箱 1.观察环路的同步过程 锁相环在锁定状态下，如果输入信号参考频率fR保持不变，而VCO的振荡频率f0发生飘移导致fV fR时，则在环路的反馈控制作用下，使f0恢复仍然保持fv = fR的状态，这种过程叫做同步过程。 （1）、实验方法：将图9-2电路图中SW401、SW402、SW403设置为001状态，此时分频比为N1。即将程序分频器的分频比设置为1（预置为001状态）。实验电路的锁相环即成为基本锁相环。其： fV f0/N f0/1 f0 （3）、以外接信号源作参考信号（加入方波信号源。接通K401的2、3）。令信号源输出一个参考频率为50KHz、电平为TTL的参考信号加于S10

9、3（相位比较器的fR端）。在TP402处测量fV，我们可看到，这时fV经过环路的反馈控制，将偏离前项测出的f0的参考值而趋向于fR，直至fV也等于外接信号源的参考频率值50KHz。这就是同步过程，基本锁相环被外加信号源锁定在fR的频率上。2.观察环路的跟踪过程 锁相环进入锁定状态后，如果fV（现等于VCO的振荡频率f0）不变，输入参考频率发生飘移，则在环路的反馈控制作用下，使f0跟随着fR的变化而变化，以保持fV=fR的环路锁定状态。这种过程叫做跟踪过程。实验方法：在上面实验的基础上将外加信号源的频率（参考频率fR）逐次改变（模拟fR产生的飘移），每改变一次fR（在TP402处测量fV）观察一

10、次fV的数值，可以看到，fV跟踪fR的变化fV=fR的状态 3、观察环路的捕捉过程锁相环在初始失锁状态下，通过环路反馈控制作用，使VCO的振荡频率f0调整fV=fR的锁定状态，这个过程称为捕捉过程。电路连接同前项，TP402处接频率计，测量fV的数值，实验开始时将信号源频率（fR）远离VCO的中心振荡频率（如令fR高于1.5MHz或远低于1KH）使环路处于失锁状态，即fVfR，然后将fR从高端缓慢地降低（或从低端缓慢地升高），当降低（或升高）到一定数值，频率计显示fV等于fR时即fR捕捉到了fV环路进入锁定状态。4、测试环路的同步带与捕捉带 测试点： TP401（FR）输入频率 TP402（F

11、V）反馈频率）电路连接同前项，令信号源频率（fR）等于56KHz。这时环路应处于锁定状态（fV = fR）。 （1）慢慢增加信号源的频率，直至环路失锁（fVfR）。此时信号源的输出频率就是同步带的最高频率。 （2）慢慢减小信号源的频率，直到环路锁定，此时信号源的输出频率就是捕捉带的最高频率。 （3）继续慢慢减小信号源的频率，直至环路失锁，此时信号源的输出频率就是同步带的最低频率。 （4）慢慢增加信号源的频率，直至环路锁定，此时信号源的输出频率就是捕捉带的最低频率。 1.测量UR的频率和波形。用示波器频率计在TP401上测量，应为f=1KHz,高电平=3.4V,低电平=0V。 2.测量UV的频率

12、和波形（在TP402） 正常工作时UV的波形应与UR同频同相，但UV的占空比与程序分频器的分频比N有关。若N=1时（K402接23脚），与UR的波形相同；N1时（K402接23脚），UV波形的占空比小于50% 。 3.检查最小分频比与最大分频比。 将SW403、SW402都置于0位，SW401从置入十进制数9开始，逐渐减置数值，当输出频率不符合f0=NfR的关系时，表示fR已不能锁定VCO的频率。频率合成器已不能正常工作。则能满足f0=NfR关系式的最小的分频比值，即为该合成器的最小分频比。同理，增大N的数值能够满足f=NfR关系式的最大的分频比值，即为该合成器的最大分频比。本合成器分频比的范

13、围满足1999。五、测量点说明TP401：VCO输入参考信号，即相位比较器输入信号，它由开关K401进行选择：K401 2-3：外加方波信号TTL电平 由S103输入端输入；K401 1-2:由CPLD内时钟信号电路送入1KHz的方波信号作为VCO的输入参考信号输入。 TP402：相位比较器输入信号，通常PD为来自VCO的反馈信号FVTP403：VCO压控振荡器的输出信号F0开关设置: K401：内外时钟选择 23：外时钟选择； 12：内时钟选择。K402：鉴相器控制。 23:鉴相器输出的占空比为1。12：鉴相器输出的占空比不为1六、实验报告要求画出电路框图及电原理图,根据实验内容，画出相应的

14、波形，并作分析。七、实测各项波形：（一）、基本锁相环部分 锁相环路的同步带与捕捉带实验波形1、使用仪器： 信号发生器 、示波台、试验箱各一台2、跳线开关设置： K401 1-3 （外加参考信号源）K402 2-3 （鉴相器输出的占空比为1） SW1、SW2、SW3、0000、 0000 、0001、三级分频器设置为N=1，环路为基本锁相环，TP402反馈信号与TP403压控振荡器的输出信号相同SW4 00010010 设置为：4007，为的是在初始状态下，外加参考信号与压控振荡器的输出信号的占空比相同，便于观测环路的同步带的最高同步频率等3、测试点：示波器二个输入端分别接在 TP4O1上（输入

15、的参考信号）和TP402（反馈信号）或TP403（锁相环输出信号）上4、信号发生器输出接到S103上，锁相环初始时：F=56KHZ，V=3.4V5、实测各点波形：（1）、信号源输出的同步带最高频率f同。MAX（2）、信号源输出的同步带最低频率f同MIN （3）、信号源输出的捕捉带最高频率f捕MAX（4）、信号源输出的捕捉带最低频率f捕MIN （5）、求出 同步带与捕捉带的带宽将锁相环初始状态调到同步的锁定状态下：信号源输出频率调到56KHZ,电压幅度到 3.4V，这时环路呈锁定状 这时 fR=fv=56khz （ fR :输入的参考频率fv ：输出频率）上图：TP401 fR输入参考信号 （环

16、路在锁定初始状态下的波形图）下图：TP403 f0 VCO压控振荡器的输出信号 （以下上、下图关系相同）1、信号源输出的同步带最高频率f同MAX在上面的状态下，慢慢增加信号源的频率，这时，随着输入参考信号频率的增加，压控振荡器的输出信号的频率也在同步的增加，直至环路失锁（fVfR）。当升到936KHZ时环路失锁，这时的信号频率就是同步带最高同步频率即：f同MAX936KHZ 同步带最高频率f同MAX环路在失锁状态2、实测信号源输出的捕捉带最高频率在上面环路失锁状态下，慢慢减小信号源的频率，直到环路锁定。当减少到468KHZ时环路锁定，这时的信号频率就是捕捉带最高频率，即：f捕MAX468KHZ

17、捕捉带最高频率f捕MAX 环路在锁定状态3、实测信号源输出的同步带最低频率 f同MIN在上面环路锁定状态下，慢慢减小信号源的频率，直到环路失锁。当减少到55KHZ时环路失锁，这时的信号频率就是同步带最低频率，即：f同MIN55KHZ 同步带最低频率 f同MIN 环路在失锁状态4、实测信号源输出的捕捉带最低频率f捕MIN在上面环路失锁状态下，慢慢增加信号源的频率，直到环路锁定。当增加到56KHZ时环路锁定，这时的信号频率就是捕捉带最高频率，即： f捕MIN56KHZ 捕捉带最低频率f捕MIN 环路在锁定状态由上面可求出 1、锁相环路的同步带宽带宽为： 881 KHZ936 KHZ55 KHZ 2、锁相环路的捕捉带宽带宽为： 409 KHZ465 KHZ56 KHZ